基于光外差干涉检测激光超射波技术研究
外差干涉测量仪的研究——毕业论文
外差干涉测量仪的研究——毕业论文毕业论文外差干涉测量仪的研究学院：专业：学生姓名：学号：指导教师：2012 年 6 月摘要外差干涉测量仪又称双频干涉仪或交流干涉仪，它具有精度高、应用范围广、环境适应能力强、实时动态测速高等一系列无可比拟的优势，因而被广泛应用于几何量计量活动。
它是利用两种不同频率的单色光作为测量光束和参考光束，通过光电探测器的混频，输出差频信号。
同时被测物体的位移变化引起的光波相位或频率的变化载于此差频上，经解调即可获得被测数据。
本文便是根据外差干涉测量仪的发展，对外差干涉测量仪的原理、应用及其在测量微小位移方面的原理进行了详细介绍和软件模拟。
关键词：外差干涉测量仪，单频激光干涉仪，测距，激光，声光调制器AbstractHeterodyne interferometer, also known as dual frequency interferometer or AC interferometer, has a high precision, wide range of applications, the ability to adapt to the environment, higher real-time dynamic velocimetry and other unparalleled advantages. And that makes it become the main force of geometrical measurement activities. Heterodyne interferometer uses two different frequency of monochromatic light as the measuring light beam and reference beam, by the mixing of the photoelectric detector. It output the difference frequency signal. Phase change of light-wave caused by the displacement of the object displacement contained in this difference frequency can be obtained by demodulation of the measured data. This article is according to the development of heterodyne interferometer, to make a particular simulation and summary for the principle and application at small displacement measuring by heterodyne interferometer.Key words: heterodyne interferometer, a single wavelength interferometric measurement, distance measurement, laser, acousto-optic modulator目录目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录........................................................... I II 第一章简介................................................. - 1 - 1.1引言 ...................................................... - 1 -1.1.1发展背景............................................. - 1 -1.1.2发展现状............................................. - 2 - 1.2 外差干涉测量仪的主要特点.................................. - 2 - 1.3 本文的研究内容............................................ - 3 - 第二章外差干涉测量仪原理..................................... - 4 -2.1产生具有微小频差的双频的原理............................... - 4 -2.1.1声光调制器........................................... - 4 -2.1.2磁光调制器.......................................... - 10 -2.1.3电光调制器.......................................... - 11 -2.1.4光学机械频移........................................ - 12 -2.1.5双纵模He-Ne激光器.................................. - 13 - 2.2本课题选择声光效应产生双频的原因.......................... - 13 - 2.3外差干涉测量仪测量位移的原理.............................. - 13 -2.2.1利用位相差测量位移.................................. - 13 -2.2.1利用频差测量位移.................................... - 15 - 第三章软件模拟.............................................. - 16 - 第四章主要应用与前景展望.................................... - 20 - 4.1主要应用 ................................................. - 20 -4.1.1外差干涉测量仪在精密定位中的应用.................... - 20 -4.1.2光学外差干涉法检测微弱超声振动...................... - 21 - 4.2前景展望 ................................................. - 22 - 总结......................................................... - 24 - 参考文献..................................................... - 25 - 致谢......................................................... - 27 -第一章简介1.1引言随着20世纪60年代初激光的出现，几何量测量技术的发展步入了崭新的时期。
激光外差干涉仪设计与实验研究
干 涉仪 、 法一 珀 干涉 仪及激 光 外差 干 涉仪 。前 两 种 干涉 法 均 采 用 正 向入 射 方 式 ，测 量 精 度 约 为 ｉ ０ ０ ｎ ｍ＿ ２ ｊ 。 目前 ， 高精 度 的激光 干涉仪 大 多为激 光外 差 干涉仪 ， 产
率 光束 干涉 后 产生 的拍 频 信 号 中 。 因此 ， 对 由光 强 变 化 引起 的直 流 电平变 化不 敏感 ， 所 以抗 干扰 能力 强 ， 常
收 稿 日期 ： ２ ｏ １ ３ — ０ ５ —１ ５ 修 改 日期 ： ２ ０ ｌ ３ — ０ ７ — ０ ４
和 的光束 分 别 通 过 反 射 镜 Ｍ１和 Ｍ２ ， 当位 于测 量
生 双频 激 光 的 方 法 主 要 是 利 用 塞 曼 效 应 或 声 光 移 频
器 。塞曼效 应受 频差 闭锁 现 象 影 响 ， 产 生 的 双 频 频差
一
ｌ 双 频 激 光 外 差 干 涉 仪 的 光 路 设 计
实验 中设 计 的双频 激光 外差 干涉 仪光 路 如 图 １ 所
般较 小 ， 通常 最大 频差 不超 过 ４ ＭＨｚ 。声 光 调 制方
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ ｅ ｘ ｐ ｅ ｒ ｉ ｍｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｓ ｔ ｕ ｄ ｙ ｏ ｆ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ
● ＇ ● ＾
ｈ ｅ ｔ ｅ ｒ ｏ ｄ ｙ ｎ ｅ ｌ ｎ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｒ ｏ ｍｅ ｔ ｅ ｒ
Ｌｉ Ｌ ｉ ｊ ｕ ｎ，Ｙｅ Ｘｉ ａ ｎ ｊ ｉ ，Ｙａ ｎ ｇ Ｇｕ ａ ｎ ｇ
一
种空间式的激光外差干涉实验设计方案 ， 并 自主 搭 建 实 验 装 置 ， 用 于 大学 物 理 实 验 的 教 学 与 研 究 。
光学外差干涉法检测激光超声振动
光学外差干涉法检测激光超声振动朱祥;张志伟;张文静;魏玉芸;戴一帆【摘要】Laser ultrasonic vibration is a micro-vibration at nanometer level.which is heavily impacted by envi-ronmental noise .and the intensity of detection signal of traditional methods is too low to detect. In order to solve this problem, a double optical path system of differential interference was developed,which has a high sensitivity, and proposed to use a combination of lens to focus the light,improving detection signal intensity and controlling the in-tensity difference between the reference signal and the detection signal within a preferably range. The experiments show that, compared with traditional methods.the intensity of detection signal can be achieved 648 mV .raising about 10 times.and the distortion of demodulated signal is smaller, signal noise ratio( SNR) can be 115 , the displacement resolution of the system can reach 0. 03 nm.%激光超声振动是在纳米级别的微弱振动,受环境噪声的影响比较大,且使用传统方法所得到的探测信号强度太低,不利于检测,系统信噪比也比较低.针对这个问题,使用组合透镜对激光进行聚焦,提高探测信号强度,并设计具有较高灵敏度的双光路差分干涉系统,将参考信号与探测信号的强度差控制在理想范围内.实验结果表面,探测信号的强度可达到648 mV,与传统方法相比有10倍左右的提升,解调出的振动信号失真度较小,信噪比可达115.该系统对位移的分辨率可达0.03 nm.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2016(000)029【总页数】4页(P252-254,286)【关键词】外差干涉;激光超声;双光路;组合透镜【作者】朱祥;张志伟;张文静;魏玉芸;戴一帆【作者单位】中北大学信息与通信工程学院,太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,太原 030051;电子测试技术重点实验室,太原 030051;仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,太原 030051;中北大学信息与通信工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN247由于近代工业技术及材料学的发展，对材料的无损评价越来越重要，但传统的无损评价技术已不能完全满足要求，因此发展各种新的无损评价技术势在必行[1]。
外差干涉测长的原理及应用
外差干涉测长的原理及应用1. 原理介绍外差干涉测长是一种基于干涉原理的测量方法，主要用于测量物体的长度、距离和形状等参数。
它利用光的干涉现象，通过两束光的相干干涉而产生干涉图像，从而可以得到被测物体的参数。
2. 工作原理外差干涉测长的基本原理是将激光光束分成两束，其中一束为参考光束，另一束为测量光束。
这两束光束分别经过分束器和反射镜，然后分别被引入被测物体和参考光程中。
在被测物体上，测量光束经过反射后与参考光束再次叠加，形成干涉图像。
通过干涉图像的变化，可以计算出被测物体的长度、距离和形状等参数。
3. 应用场景外差干涉测长广泛应用于工业制造、科学研究和生物医学等领域。
以下列举了一些常见的应用场景：•工业制造：外差干涉测长可以用于测量精密机械零件的尺寸，如轴承孔的直径、齿轮的模数等。
这种测量方法高精度、非接触，能够满足工业制造对精度要求较高的应用。
•科学研究：外差干涉测长在科学研究中也有很大的应用，例如在材料科学中，可以用于测量材料的膨胀系数、压力应力等参数的变化。
在物理学中，可以用于测量光源的波长稳定性以及光谱的测量等。
•生物医学：外差干涉测长在生物医学领域也有着广泛的应用，例如在眼科领域中，可以用于测量角膜的厚度和形状，以及眼底血管的直径和血流速度等。
在生物材料研究中，可以用于测量细胞、纤维和薄膜的尺寸变化。
4. 优点和挑战外差干涉测长具有以下优点：•高精度：外差干涉测长能够实现纳米级的测量精度，适用于对精度要求较高的应用。
•非接触：外差干涉测长不需要物体与测量仪器直接接触，减少了对被测物体的损伤和干扰。
•宽测量范围：外差干涉测长可根据需要选择不同的波长和光路配置，适用于不同尺寸和形状的物体测量。
然而，外差干涉测长也面临一些挑战：•环境干扰：外差干涉测长对环境的振动、温度、湿度等因素十分敏感，需要在稳定的环境条件下进行测量。
•复杂的仪器设备：外差干涉测长需要精密的光学元件和仪器设备，以及精准的光源和探测器，增加了设备的复杂性和成本。
激光外差干涉快速超精密测量模型研究_钟志
加了 v2 / c 的积分项, 相当于将传统测量模型进行了高阶 误差补偿。通 过理论分析 可知, 当 最高测量 速度为1 m/ s,
运行 位移为3 m时, 该测量模型能够减小约18 nm的测量误差, 解决了传统测量模型存在的残余误差累计 问题, 从 而
为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。
图 2 快速超精密位移测量模型不同速度下各部分仿真图 。( a) 速度时间图, ( b) 根据( 3) 式计算的位移曲线,
( c) 在传统公式上增加 的位移曲线
F ig . 2 T he simulation r esults under differ ent v elo city. ( a) T he velo city v s time, ( b) the displace ment based
将( 1) 式中的 f 2+ $f 2 进行级数展开, 取 v/ c 的
2 阶无穷小项, 得
f 2+
$f 2 =
f2
1-
2
v c
+
2
v c
2
-o
v c
3
,
( 4)
可以看出, 在计算公式( 2) 时存在近似, 其带来的原
理性残余误差为
t
Q $x ( t) = -
v
(
tc) c
2
dtc,
( 5)
0
当最高测量速度为 1 m/ s, 运行位移为3 m, 其误差
f 2 + $f 2 = f 2
c+ c-
2v 2v
,
( 1)
其中 c 为光在空气中的传播速度。返回的两束激光
通过 K/ 4 波片 7 后在光电接收器 10 上形成测量信号
激光外差探测中高频调制信号解调技术的研究
激光外差探测中高频调制信号解调技术的研究杨玮萍;郑宾;张志刚;郭华玲;陈栋;王余敬【摘要】激光外差干涉信号属于宽带高频信号，针对这一特点，提出了一种新型的激光外差干涉信号的高频调制信号解调系统。
在AD8302相位解调方法的基础上，锁相环的设计可以消除解调结果中的差频信号。
结果表明，相比于MATLAB 软件解调和AD8302直接解调，该解调系统可以更准确地解调出样品表面1 MHz 的微振动信号。
因此，本系统是一种有效可行的相位解调方法。
%The laser heterodyne interference signals belong to the wideband and high-frequency signals. According to this characteristic,a new kind of high-frequency modulated signals demodulation system for laser heterodyne in⁃terference signals is proposed. Based on the method of phase demodulation with AD8302,the design of phase locked loop can eliminate the differential frequency signals in the demodulation results. The results show that this demodulation system can demodulate 1 MHz micro-vibration signal on the surface of the sample accurately,com⁃pared with the MATLAB software demodulation and AD8302 direct demodulation. Therefore,this system is an effec⁃tive and feasible method for phase demodulation.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2016(039)002【总页数】5页(P365-369)【关键词】测试计量技术及仪器;高频解调;外差探测;锁相环;AD8302【作者】杨玮萍;郑宾;张志刚;郭华玲;陈栋;王余敬【作者单位】中北大学计算机与控制工程学院，太原030051;中北大学计算机与控制工程学院，太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;中北大学计算机与控制工程学院，太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;中北大学计算机与控制工程学院，太原030051; 中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051;中北大学计算机与控制工程学院，太原030051;中北大学计算机与控制工程学院，太原030051【正文语种】中文【中图分类】TN247激光外差探测是一种很重要的激光超声无损检测方法［1］，激光外差探测的工作原理是将被测量转化为调频或调相电信号，解调后便可得到待测的超声信号［2］，它的最大优点是激光超声信号对高频载波信号进行了调频或调相，避免了低频信号的干扰［3］。
基于DSP的激光外差干涉信号处理方法
( 浙江理工大学纳米测量技 术实验室 , 杭州 310018) 摘 要 : 描述激光外差干涉测量的 原理 , 设计基于 DSP 的激光外差干涉信号处理方法 , 用 DSP 的捕捉单元获取
参考信号和测量信号的上升沿时间差 , 在捕捉单元 中断中计算测量信号周期 , 由 DSP 将时间差转化为相 位差并得 出 被测位移 。 采用信号发生器模拟两路输入信号 , 在 0~ 360 范围 内进行 相位差 测量实 验 , 测 量结果 表明标 准偏差 为 0. 041 、 线性拟 合相关系数为 0. 999 89 。 以 20 nm 为 步长在 0~ 320 nm 范围内进行位 移测量实验 , 实验结果表明 标 准偏差为 2. 46 nm 、 线性拟合相关系数为 0. 999 71, 验证了所设计的 信号处理方法的可行性和实用性 。 关键词 : 纳米测量 ; 激光外差干涉 ; 信号处理 ; DSP; 捕捉单元 中图分类号 : T H741 文献标识码 : A
浙江理工大学学报, 第 28 卷, 第 2 期, 2011 年 3 月 Journal of Z hejiang Sci T ech U niv ersity Vol. 28, N o. 2, M ar. 2011
文章编号 : 1673 3851 ( 2011) 02 0217 04
基于 DSP 的激光外差干涉信号处理方法
( 3)
式( 3) 中, !表示测量的相位差; t 表示参考信号 S r 与测量 信号 S m 正向过零点的时间差 ; T 表示信号周期; n 表示 t 时间内 高速脉冲个数; N 表示周期 T 内高速脉冲个数。 频率越高 , 测量精度就越高。 2. 2 信号处理的 DSP 实现 DSP 的信号处理框图如图 3 所示。由光电探测器 接 收到的参考信号 S r 与测量信号 S m 分别送入混频、 整形、 滤波电路进行信号的预处理。光电探测器接收到两信 号 的频率均为 1. 91 M H z。经过混频整形后, 可得到两路频 率为 14. 5 kH z 的方波 , 将所得方波信号采集入 DSP 后进 行相应的运算处理, 处理完成的数据通过 RS232 通讯 , 送 入上位机显示。
一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置[发明专利]
![一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/08215bf0866fb84ae55c8d39.png)
专利名称：一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置
专利类型：发明专利
发明人：钟欣,周涛,刘江,陈智宇,刘静娴
申请号：CN202011154067.2
申请日：20201026
公开号：CN112432767A
公开日：
20210302
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种基于光延时自外差的激光器波长漂移范围的测量方法及装置，所述装置包括：光功分器、可调谐光延迟线、声光移频器、光合路器、光电探测器、射频信号源、鉴相器；所述光功分器的输入端连接被测激光器，输出端分别连接所述可调谐光延迟线和声光移频器的输入端；所述可调谐光延迟线和声光移频器的输出端连接光合路器的输入端；所述光合路器的输出端连接光电探测器的输入端；所述光电探测器的输出端连接所述鉴相器的输入端；所述射频信号源的输出端分别连接声光移频器的另一输入端和鉴相器的另一输入端。
本发明能够不借助光谱仪以及另一个高稳定激光器的情况下，对激光器的波长漂移范围进行检测，具有结构简单，易于实施的优点。
申请人：中国电子科技集团公司第二十九研究所
地址：610036 四川省成都市金牛区营康西路496号
国籍：CN
代理机构：成都九鼎天元知识产权代理有限公司
代理人：徐静
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基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法研究
基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法研究作为一项重大的前沿基础科学研究,引力波的高精度太空探测对激光测距技术提出了百万千米量级测量范围、皮米量级测量精度的极限挑战。
在卫星编队飞行等尖端航天领域中,对激光测距技术的需求也达到了数千米至数百千米范围内纳米量级的测量精度。
现有经典的激光绝对距离测量技术已经完全无法满足上述需求。
近十年来,光学频率梳的出现促进了激光绝对距离测量技术的发展,为满足上述需求提供了潜在可能。
但现有基于光学频率梳的多波长激光干涉测距方法仍存在难以同步生成多尺度合成波长以兼顾测量范围、速度与精度,现有频率梳模型与生成方法影响测量精度和各梳齿干涉测距相位难以高精度、快速分离与提取的问题,无法完全满足上述科学与技术领域对绝对距离测量的要求。
本课题旨在针对上述问题,为激光绝对距离测量技术提出一种具备兼顾大范围、快速和高精度测距潜力,且便于实现量值溯源的多波长激光干涉测量方法,对该方法进行原理分析及实验室条件20米范围的实验验证。
研究成果经继续改进及优化,可推广应用于空间引力波探测和卫星编队飞行控制等前沿科学技术领域。
本课题主要研究内容如下:针对现有基于光学频率梳的多波长干涉测距法难以同步生成多尺度合成波长导致测量范围、速度与精度难以兼顾的问题,结合经典多波长激光干涉测距原理和光学频率梳等间隔梳状多光谱的特性,提出了一种基于外差双光学频率梳的多波长干涉测距方法,该方法以中心梳齿偏频锁定、梳齿间距稍有不同的外差双光学频率梳作为光源,利用其中的众多梳齿同步生成了多个不同尺度的粗测和精测合成波长,对光学频率梳中多梳齿的干涉测距信息进行了融合处理,以此建立了基于外差双光学频率梳多波长干涉测距方法的完整理论模型。
分析及实验结果表明,该方法可实现大范围、快速、高精度距离测量,对中心15条光学频率梳梳齿所生成第8阶合成波长的干涉测距信息进行有机融合,可将距离20m处静止目标30min连续监测过程中,测相误差引入的距离测量不确定度从21.3?m减小为8?m。
基于光外差干涉检测激光超射波技术研究
目录1 引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外发展状况 (1)1.3 课题意义 (3)1.4 课题内容 (3)2 激光超声激励技术研究 (5)2.1 超声波的性质 (5)2.1.1 超声波的分类 (5)2.1.2 超声波的特点 (5)2.1.3 超声波的波型与声速 (6)2.1.4 超声波的反射折射及波型转换 (6)2.2 超声波的检测 (7)2.3 激光产生超声的原理 (9)2.4 Nd:YAG激光器激励超声波 (10)2.4.1 Nd:YAG激光介绍 (10)2.4.2 Nd:YAG激光器工作原理 (10)2.5 本章小结 (11)3 激光外差干涉概述 (13)3.1 光电检测 (13)3.1.1 系统分类 (13)3.1.2 激光超声检测 (16)3.2 光外差干涉测试技术 (17)3.2.1 概述 (17)3.2.2 光外差干涉原理 (17)3.2.3 光外差探测系统 (18)3.3 激光外差干涉测试系统 (19)3.3.1 测试系统的原理 (19)3.3.2 激光外差干涉测长 (21)3.4 光外差检测优势 (23)3.5 本章小结 (24)4 光外差干涉法检测激光超声的设计和实现 (25)4.1 声光调制 (25)4.1.1 声光调制器原理 (25)4.1.2 声光调制分类 (27)4.2 系统设计 (28)4.2.1 外差干涉系统构成 (29)4.2.1 超声信号检测原理 (30)4.2.2 光外差干涉法检测激光超声原理 (31)4.3 光路调试结果 (32)4.4 本章小结 (33)5 总结 (34)5.1 主要工作 (34)5.2 系统存在问题 (34)参考文献 (35)致谢 (37)1 引言1.1 课题背景随自20世纪70年代以来，激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高的时间和空间分辨率等特性，在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用，已发展成为超声学的一个重要分支[1-2]。
基于 AD8302的激光外差干涉信号解调技术
基于 AD8302的激光外差干涉信号解调技术刘丹;郑宾;郭华玲;刘辉【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【摘要】In order to overcome defects of the traditional phase measurement hardware , such as circuit complexity , low measurement precision and narrow band width , a novel signal processing system of a laser heterodyne interferometer was designed based on AD 8302 with good performance .The work theory of the system was analyzed indetail .Static and dynamic experimental data were obtained .The results show that measurement error of the system is less than 0.5°and the measurement resolution of heterodyne interference can reach 0.088nm in theory which is more conductive to measure the microvibration signal .%为了改善传统硬件相位测量中存在电路复杂、测量精度低、工作频带宽窄等诸多缺陷，利用AD8302的良好高频测相能力，设计了一种新的激光外差干涉信号处理系统，分析了其工作原理，并取得了静态、动态实验数据。
结果表明，系统测量误差小于0．5°，使外差干涉理论测量分辨率提高到0．088nm，更有利于微振动信号的测量。
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基于光外差干涉检测激光超射波技术研究目录1 引言 (1)1.1 课题背景 (1)1.2 国内外发展状况 (1)1.3 课题意义 (3)1.4 课题内容 (3)2 激光超声激励技术研究 (5)2.1 超声波的性质 (5)2.1.1 超声波的分类 (5)2.1.2 超声波的特点 (5)2.1.3 超声波的波型与声速 (6)2.1.4 超声波的反射折射及波型转换 (6)2.2 超声波的检测 (7)2.3 激光产生超声的原理 (9)2.4 Nd:YAG激光器激励超声波 (10)2.4.1 Nd:YAG激光介绍 (10)2.4.2 Nd:YAG激光器工作原理 (10)2.5 本章小结 (11)3 激光外差干涉概述 (13)3.1 光电检测 (13)3.1.1 系统分类 (13)3.1.2 激光超声检测 (16)3.2 光外差干涉测试技术 (17)3.2.1 概述 (17)3.2.2 光外差干涉原理 (17)3.2.3 光外差探测系统 (18)3.3 激光外差干涉测试系统 (19)3.3.1 测试系统的原理 (19)3.3.2 激光外差干涉测长 (21)3.4 光外差检测优势 (23)3.5 本章小结 (24)4 光外差干涉法检测激光超声的设计和实现 (25)4.1 声光调制 (25)4.1.1 声光调制器原理 (25)4.1.2 声光调制分类 (27)4.2 系统设计 (28)4.2.1 外差干涉系统构成 (29)4.2.1 超声信号检测原理 (30)4.2.2 光外差干涉法检测激光超声原理 (31)4.3 光路调试结果 (32)4.4 本章小结 (33)5 总结 (34)5.1 主要工作 (34)5.2 系统存在问题 (34)参考文献 (35)致谢 (37)1 引言1.1 课题背景随自20世纪70年代以来，激光超声技术因其频带较宽、模式多样、具有很高的时间和空间分辨率等特性，在无损探伤领域得到了越来越广泛的关注和应用，已发展成为超声学的一个重要分支[1-2]。
但激光超声振动信号非常微弱，位移幅值一般在数微米量级，且激发超声的激光源所需强度特别大[3-5]，因此，目前多用光学方法检测。
光学法检测超声可分为两大类：一类是非干涉法，如狭缝法、刀刃法等；另一类为干涉法，主要包括外差干涉法、差分干涉法和多光束干涉法等[6]。
此外，还有使用法布里-珀罗干涉仪(Fairy-Perot Interferometer)和光折变干涉仪的方法，但前者性能不稳定，后者价格十分昂贵。
较常用的当属外差干涉法[7]，该方法最大的特点是将微弱的激光超声信号加载到高频范围内进行处理，从而避开了低频1／ƒ噪声的干扰。
通常的外差干涉系统，因使用的光学器件较多，会出现很多杂光如回授光[8]，光学噪声大，信噪比低，并不适合微弱激光超声信号的检测。
因此，本文采用线偏振光作为光源来改善传统的干涉光路系统，设计出了检测微弱振动信号的新型线偏振光外差干涉系统。
该系统用压电超声代替激光超声作为微弱振动信号源，实验得到了较好的外差干涉信号，并得到了与压电探头振动激励信号一致的探测信号，而且结构简单，成本较低。
虽然超声技术已获得极大成功，但在应用过程中传统超声技术还是暴露出许多不足之处。
1.2 国内外发展状况激光超声技术的研究始于1962年。
当时，White和Askaryan分别论证了用脉冲激光束在固体和液体中激发声波的方法。
紧接着，Ramsden，Bunkiny和Stegman观察到强激光在固体中产生的爆炸波和在大气中产生的燃烧波，会随时间和距离的增加而衰变成声波。
之后。
对固体，液体和气体媒质中激光超声激发的研究均有了很大的发展。
1976年，Bondarenko等首先把激光超声用于材料检测。
他们用调Q红宝石激光器激发超声，用带宽为5kHz至150MHz，位移灵敏度为10- 9nm的干涉仪检测激光超声，并对不锈钢板的人工缺陷进行了检测。
之后，Hutehins和Nedeou等用Nd:YAG和带宽为45MHz，位移灵敏度为1nm的干涉仪进行了表面缺陷的实验。
1979年，Ledbetter等最先同时捡测到一次激发产生的纵波，横波和表面波。
1980和1982年，Seruby和Dewhurst等对激光在金属中产生的超声波形进行了定量测量，并用面内正交力偶模型解释了热弹条件下的激发现象，用垂直力偶模型解释了烧蚀条件下的激发现象[9],为激光超声的应用技术打下了基础。
20世纪80年代中期，加拿大人J．E Monehalin提出了用球面共焦Fabry-Perot干涉仪探测超声振动——超声测厚技术，首次实现了在1m 远处对未抛光的钢板进行激光超声的实验，向实用化迈出了一大步[10]。
20世纪90年代中期，Y Dagata，J．Huang，J．D．Achenbach和Krishnaswamy等进行了一系列的理论和应用研究工作近几年，激光超声机理和技术的研究有了更大发展，在激光超声信号的激发、接收、传播理论，以及应用等方面取得很大进展[11]。
超声技术在工业测量、物质结构特性的研究等领域已获得成功应用。
在各种结构工程材料的生产过程中能实时检测出产品的多种特性参数，引入闭环控制，对于保证产品质量，降低原材料损耗，是十分重要的。
由于一般的金属材料对于电磁波是不透明的，对各种粒子射线也有较大的衰减，而对于超声波能有效地传输，因此超声方法很早已成为一系列材料元件和工程结构检测，特别是金属材料的首选方案。
常规的超声检测中，超声波是由压电或压磁换能器产生的，在检测时必须通过耦合剂与试件耦合，由于换能器本身带宽的限制及换能器与试件之间的耦合等因素影响，无法产生很窄的单个超声脉冲。
激光超声技术白出现之日起便以诸多优点吸引广大研究人员的关注。
利用激光激发可以重复产生很窄的超声脉冲，在时间和空间均具有极高的分辨率，而且激光可以在不同形状的试件中激发超声并且是非接触的，易于在高温、高压、有毒和放射性等恶劣环境下进行超声检测，适合于超薄材料的检测和物质微结构的研究。
激光超声是一种新型无损检测方法，早期受激光器件与相关学科发展的限制，自20世纪70年代提出到80年代中期成为热点后，未达到人们预想的应用效果。
20世纪末至今，随着激光、电子、计算机和相关学科的发展，经过近十年的技术积累，激光超声已从方法探索步人技术研究与开发应用阶段，是传统超声检测技术的进一步发展。
传统的超声技术多采用接触式换能器，为保证有高的灵敏度和可靠性，通常还应使用各种超声耦合剂，这种方法的最大优点是检测灵敏度高，设备简单，便宜，因而使用得最广泛。
然而当温度升高时，大多数耦合剂将汽化，失去粘性并产生化学变化，从而使得超声检测变得十分困难。
日前绝大多数耦合剂的使用温度都在100℃以下，常用的超声换能介质PZT。
其工作温度一般不能高于300℃，即使换成其它高温材料，工作温度也很难超过700℃。
对于像钢铁制造这样的行业，工作温度常在1000℃以上[12]，因此传统的超声检测法无法实现在线检测。
采用电磁声换能器(既AT)并配上适当的冷却系统，可以实现高温下的非接触式检测[13]。
但是这种系统中电磁传感头与被测件间的工作距离只有数毫米，且检测信号的强弱受这一距离变化的影响很大，所以当用于实际的工业生产现场时也存在很多困难。
工业CT技术作为一种无损检侧手段具有很多优点，美国IDM公司曾采用工业CT技术实现对每秒数米延伸速度的热轧钢管作在线检测、监控[14]。
但是该系统目前十分昂贵、复杂。
被测件的最大允许尺寸也往往受到一定限制，因而还难于实现一般的工业使用。
激光超声技术是对传统超声检测技术的一大发展，它的出现弥补了许多电超声的检测盲区，为超声检测技术的发展起到很强了的推进作用[15]。
激光超声技术利用高能激光脉冲来激发超声，与传统超声技术相比，具有许多得天独厚的优点。
1.3 课题意义随着科学技术，尤其是激光技术的发展，激光超声学将在理论、技术和应用研究等各方面取得新的突破,它的应用前景也会更加广阔。
目前，激光超声技术已被广泛应用于材料的缺陷探测和定位，内部损伤过程监测和断裂机理研究等工程领域中。
特别是对固体材料的力学和热学性质研究，以及对具有生物活性的化学和生物物质的光化学反应动力学和热力学的研究，更显示出激光超声技术具有其它检测技术难以替代的优越性[16]。
因此。
研究激光超声无损检测技术不仅有理论方面的意义，还有实际应用上的意义。
1.4 课题内容通过对激光激励超声波的基本概念、Nd:YAG激光器激励超声波的工作原理、光外差干涉的原理和测量方法、声光调制器的工作原理及使用方法等的掌握，以此为基础构成光外差干涉检测激光超声波的装置，从而达到利用光外差干涉技术对激光超声无损检测技术来进行研究的目的。
本论文的主要内容包括：第一章为引言，主要介绍了课题的研究背景和意义以及相关技术国内外的研究情况，由此引出课题的研究内容，确定了本文的研究方向。
第二章对光外差干涉检测激光超声波工作过程中所需用到的关键技术及原理说明，为论文的研究提供了相关的理论基础。
首先简单地介绍超声波的定义与其相关性质。
然后激光介绍了产生超声波的方法技术，重点介绍了利用Nd:YAG激光器激励超声波的工作原理如热弹机理、烧蚀机理及其特点。
第三章主要针对激光外差干涉测试研究来讨论。
首先，介绍了光电检测系统中的激光超声检测，然后光外差干涉原理光外差探测系统，最后激光外差干涉系统中的测长的工作原理。
第四章首先介绍了声光调制器的工作原理、使用方法，然后设计了基于光外差干涉法检测激光超声的装置。
主要由频移装置，连续激光器，分光镜，反光镜，激光超声源，光电探测器，信号处理器，示波器等部分组成。
最后使用由Nd:YAG 线偏振激光器，PBS，光电探测器等部分，实现了线偏振光外差干涉系统的组成。
第五章对论文主要工作的总结和展望。
2 激光超声激励技术研究2.1 超声波的性质2.1.1 超声波的分类超声波的类型很多，有纵波、横波、表面波和平面波等。
纵波传导时，每个粒子都在平行于波动前进方向上振动，呈现交替密集或稀疏的变化，在超声波探伤中最常用。
横波也在超声波探伤中有广泛的应用，它的传播有点类似于在绳子一端有规律地抖动所形成的绳子的振动形式，分子和原子在一个平面上垂直于波浪传播方向上下振动；表面波只是有时才用在超声波探伤中，它沿着平面或相对较厚的曲面传播；平面波只是应用于超声波探伤的某些场合，仅在厚度只有几个波长大小的材料表面传播[17]。
界面处超声波的反射与材料的物理状态关联较大，而与材料本身的物理性能关联较小。
声波、次声波、超声波都是机械波，有声速、频率、波长、声压、声强等参数，在界面也会发生反射、折射。
我们能够听到声音是因为声波传到了我们的耳内，声波的频率在20HZ～20000HZ，频率低于或超过上述范围时人们无法听到声音，频率低于20HZ的声波称为次声波，频率超过20000HZ的声波称为超声波。